求解复杂约束条件下最优控制问题的分段低阶Gauss伪谱法

针对含有复杂约束条件的最优控制问题,提出分段低阶Gauss伪谱法。以常规Gauss伪谱法为基础,划分时间区间,在子区间上利用低阶Gauss数值积分离散Bolza型性能指标,利用插值型数值积分的性质离散状态微分方程,利用低阶Gauss伪谱法处理复杂约束条件,得到对应的非线性规划。对状态轨线或控制函数较复杂的情形,该方法克服了传统Gauss伪谱法直接在时间区间上配置Gauss点,插值多项式阶数高、数值解不稳定的缺陷,并且数值解局部代数精度高、计算量小。最后将该方法应用于求解飞行器对地打击轨迹规划最优控制问题,结果表明算法有效可行。     

平流层飞艇热力学建模与仿真研究

文章基于对飞艇热状况形成机制的分析,建立了针对临近空间飞艇的热力学模型,主要有对流换热数学模型和辐射换热数学模型,并编写了热特性仿真计算软件,对飞艇在巡航阶段艇内气体温度变化进行仿真分析。结果显示:平流层飞艇氦气平均温度的变化主要受太阳辐射强度的影响,夜晚较低,白天较高,温差约为55℃;副气囊空气温度的变化趋势基本与氦气一致,且氦气和空气最大超热都超过40℃。     

平流层飞艇机载风速测量方法

 风场数据是平流层飞艇实现长时驻空和飞行控制的重要参数。针对平流层空气稀薄、传统机载压力式测风速方法测量精度低等问题,提出一种利用激光雷达直接探测技术的平流层飞艇机载风速测量方法。设计了基于直接探测原理的多普勒激光雷达测风速系统,构建了分别以FPI（Fabry-Perot干涉仪）和MZI（Mach-Zehnder干涉仪）为鉴频器的条纹成像技术的风速反演数学模型,并进行了数值仿真分析。结果显示,在355 nm波长出射激光和20 m/s径向风速条件下,FPI-条纹成像技术与MZI-条纹成像技术的径向风速测量误差分别为11.0%和6.5%,测量分辨率分别为1.90 m/s和1.62 m/s,表明该方法能够满足平流层飞艇机载风速测量要求。     

平流层验证飞艇的建模与分析

描述了工作于平流层中的一类轻于空气(LTA)的飞艇运动及受力情况。在以体积中心为原点的机体坐标系中，建立了完整的六自由度非线性模型。在此基础上，采用小扰动方法将原始的非线性微分方程线性化，并将线性化后的方程分为纵向和横侧向两组。结合实验数据对飞艇纵向运动的开环响应进行仿真，结果表明，只有将舵面控制与发动机转速控制相结合才能达到良好的控制效果。     

平流层飞艇光伏电池传热特性

太阳能是平流层飞艇的理想能源,其热特性与飞艇浮力,蒙皮强度息息相关。准确预测飞艇的温度场是飞艇设计的重要步骤,但现有研究缺乏对太阳能电池的热特性分析。本文提出了一种包括太阳辐射,天空、地面长波辐射,蒙皮红外辐射和对流换热的飞艇模型,将几何模型离散化,编写C++程序计算了和分析了光伏电池的转化效率,吸收率、发射率、热阻和飞艇朝向对飞艇热性能、光伏阵列输出功率的影响。结果表明,较大的光伏阵列转化效率,发射率和等效热阻有利于改善飞艇“超冷”和“超热”现象的改善。光伏电池的辐射特性对光伏电池和氦气温度的影响最大：吸收率从0.5增加到0.9,主氦气囊昼夜温差升高约11.2K,光伏电池最高温度升高约29.8K;发射率0.1增加到0.9,主氦气囊昼夜温差降低约15.3K,光伏电池最高温度降低约50.2K。本文计算结果为飞艇的热稳定性的优化提供参考。     

基于电动控制平流层飞艇排气阀设计与研究

排气阀是平流层飞艇压力调节控制系统的核心部件,其性能直接影响飞艇的安全运行。针对传统排气阀灵活性差以及控制精度不高等缺点,提出一种基于电动控制的平流层飞艇排气阀新方案。介绍了阀门的设计要求、结构特点以及控制原理。运用流体力学基本原理并结合地面测试试验,分析了排气阀的实际流量系数,获得了排气阀的精确流量。通过平流层飞艇飞行试验验证了新方案的可行性,结果表明,采用该方案的排气阀能够满足平流层飞艇飞行要求,为飞艇长时间飞行和压力调节提供了技术支持。     

面向有效载荷质量的平流层飞艇设计参数优化

最大有效载荷质量是衡量平流层飞艇设计方案优劣的重要指标,最大有效载荷质量与飞艇设计的许多因素相关联,为此建立平流层飞艇各性能指标估算模型,在此基础上,提出以飞艇最大有效载荷质量为优化目标,综合考虑浮重平衡、推阻平衡、能源平衡、材料强度等方面约束的平流层飞艇设计参数优化模型,并基于混沌粒子群算法进行实例计算.研究结果表明:设计平流层飞艇时以阻力最小、质量最轻等常见指标为优化目标不能反应飞艇适应任务的能力.此外,平流层飞艇的设计是一个各子系统紧密耦合、相互制约的求解过程,与基于经验值设计的参考方案相比,经过设计参数优化后的平流层飞艇最大有效载荷质量能增加50％.     

平流层飞艇再生能源能量平衡的关键技术分析研究

介绍了平流层飞艇再生能源系统的构成及功能,在再生能源能量平衡分析中建立了太阳电池阵列在平流层飞艇曲面铺装的模型和能源闭环模型,分析了能源消耗构成和全天24 h的能量平衡;且实现了太阳电池输出功率的可视化仿真。结果表明平流层飞艇能够在全天实现能量平衡。分析了能源系统的关键技术参数对能源系统的影响,结果显示:锂电池能量密度、太阳电池转换效率和锂电池充电效率是平流层飞艇能源系统的最关键技术参数。研究结果为平流层飞艇能量平衡分析方案论证和方案设计提供参考。     

基于hp自适应伪谱法的飞行器多阶段轨迹优化

为解决助推-滑翔飞行器的多阶段多约束轨迹优化问题,在考虑速度约束、轨迹阶段切换点约束与轨迹末端参数约束的条件下,建立了助推-滑翔飞行器纵向运动模型与多阶段轨迹优化模型。采用基于hp自适应伪谱法的Legendre-Gauss-Radau离散点,将该最优控制问题转换为多阶段非线性规划问题,求解得到最大飞行距离轨迹。为解决多阶段轨迹优化算法难以确定位置自由的阶段切换点的问题,基于动态规划的思想,设计了新的多阶段轨迹优化策略。改进后的优化策略在得到了多阶段全局近似最优解结果的同时,减少了原优化算法的计算量。仿真结果表明,改进的hp自适应伪谱法能有效解决多阶段助推-滑翔飞行器轨迹优化问题,优化结果优于最大升阻比滑翔飞行轨迹。      

基于Legendre伪谱法的3D刚体摆姿态轨迹跟踪控制

研究3D刚体摆在有初始扰动情况下的姿态运动最优控制问题。结合3D刚体摆转动的姿态与角速度特点, 针对外部扰动设计闭环反馈姿态跟踪控制器。首先, 利用Legendre伪谱法规划出3D刚体摆开环的姿态运动轨迹。然后, 将系统的运动方程线性化, 并以3D刚体摆的实际运动姿态轨迹与参考运动姿态轨迹之间的差值作为控制量, 将姿态跟踪问题转换为线性时变系统的姿态调节问题。最后, 对基于 Legendre 伪谱法的3D刚体摆姿态最优控制的闭环控制方法进行仿真分析, 验证在具有初始扰动情况下算法的有效性。     

考虑多约束的UCAV对地攻击轨迹规划

针对多约束条件下UCAV对地攻击轨迹规划问题,提出了一种基于Radau伪谱法(RPM)的求解策略。首先,分析并建立UCAV三自由度(3-DOF)质点模型,初始和终端位置、速度、姿态、飞行性能、敌方火力或探测威胁、禁飞区、地形等约束条件模型,构建考虑多约束的UCAV对地攻击轨迹规划模型;在分析RPM求解最优控制问题的基本原理及实现方式的基础上,采用RPM将轨迹规划的最优控制问题转化为非线性规划问题;最后,利用SNOPT软件包求解,并进行了数字仿真。仿真结果表明,该方法能以较高的精度和速度生成满足多种复杂约束要求、连续并且真实可行的最优轨迹。     

利用高斯伪谱法求解升力航天器最优再入轨迹

为了获得升力式航天器再入大气后的飞行轨迹,利用高斯伪谱法求解了同时满足路径约束和终端约束条件下的总吸热量最小再入轨迹。其中,路径约束包括驻点热流峰值约束和最大动压约束;终端约束为高度和位置。选取优化控制变量为迎角和倾斜角。仿真结果表明,高斯伪谱法能够快速优化出满足以上优化性能指标和约束条件的再入轨迹。最后,通过对哈密尔顿函数的分析给出了最优性验证。     

机器人yoyo轨迹规划与控制

以机器人yoyo运动控制为例,提出了一种针对周期性动态系统进行轨迹规划的通用方法.把yoyo达到底端时机器人机械臂的高度作为中间状态,通过逐个循环逐个阶段求解该最优问题,可得机器人的参考轨迹和名义控制,同时也可以得到被控对象相应的返回映射.该方法也可用于其他类似的周期性动态系统.     

基于分层策略的多无人机最优协同航路规划

基于分层策略将多无人机协同航路规划分为航路规划层、协同控制层和航迹控制层进行研究。航路规划层采用基于K均值和遗传算法的航路规划方法,为每架无人机提供多条备选航路;针对传统协同控制算法在求解协同变量出现无解的情况,设计了新的协同变量求解步骤;航迹控制层基于无人机六自由度模型和协同变量建立了终端时间固定的最优航迹控制模型,并采用勒让德伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题,并利用CFSQP对模型进行了求解,实现了对无人机航迹控制变量和姿态的规划。仿真结果表明,利用该方法得到的无人机协同航路具有较高的可操作性,且计算量较小,效率较高,得到的无人机控制指令平滑,易于操控。     

六自由度弹道仿真航路规划评价方法

针对飞行器航路规划评价方法单一、缺乏合理性与动态特性验证等问题,提出了基于六自由度弹道仿真的航路规划评价方法.分析了影响航路评价的几种因素,并建立起基于Simulink的六自由度弹道模型.将已规划航路输入六自由度弹道模型中,通过仿真得到飞行器沿航路飞行时的各飞行参数实际响应,从动态角度分析已规划航路的合理性,以更加接近真实情况的仿真手段实现对规划效果的全面评价.仿真结果表明,该评价方法可以实现对规划航路动态特性的验证.     

基于点融合进近的航空器进场4D航迹规划

点融合进近是一种全新的进近技术,对点融合进近中的航空器进场4D航迹规划方法进行了研究。根据点融合进近运行的特点,提出航空器航迹预测方法。以总延误时间最少和着陆次序调整最小为目标建立4D航迹规划模型;并采用遗传算法进行了求解。通过仿真计算,比较了先到先服务与此规划方法的差别。比较结果表明,4D航迹规划方法可以有效提高终端区运行效率。     

空间关节机器人轨迹规划

提出了一种简捷的空间关节机器人运动轨迹的优化方法。对求解机器人运动学逆问题较为有效。通过实例分析，它所得运动参数不但满足作业要求，而且使机器人以最佳状况进行作业。